ЛОГИЧЕСКАЯ АРХИТЕКТУРА КОМПЛЕКСНОЙ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ БЕСПИЛОТНЫМИ АВИАЦИОННЫМИ СИСТЕМАМИ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩАЯ ИХ БЕЗОПАСНУЮ ИНТЕГРАЦИЮ В ОБЩЕЕ ВОЗДУШНОЕ ПРОСТРАНСТВО

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области автоматизированных систем управления и контроля и может найти применение в системах управления и контроля беспилотными воздушными суднами (БВС), обеспечивая безопасность их полета в общем воздушном пространстве, но может быть применено и на других транспортных средствах. Технический результат - повышение эффективности управления БВС и уровня безопасности. Для достижения данного результата необходимо построить логическую архитектуру системы управления и прямого контроля за полетом всех летательных аппаратов, обеспечивая требования безопасности.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Из предшествующего уровня техники известен способ управления беспилотным летательным аппаратом и устройство для его реализации (см. патент RU №2390815, опубл. 27.05.2010 г.), характеризующий управление одним или несколькими беспилотными летательными аппаратами, каждый из которых оборудован бортовой автоматической системой управления, спутниковой навигационной системой, высокоточными синхронизированными часами, а также бортовым вычислителем и приемопередающей радиостанцией, с помощью которой осуществляется цифровая радиосвязь с базовыми радиостанциями, со стационарным или подвижным пунктом управления, который оборудован автоматизированным рабочим местом оператора, при этом передача команд управления движением беспилотного летательного аппарата, передача данных о координатах и параметрах его движения, а также передача идентификационных номеров и данных о координатах и параметрах движения других подвижных объектов, оборудованных приемопередающими радиостанциями и находящихся в пределах радиовидимости, производится в один или несколько общих радиоканалов, причем трансляция сообщений каждой передающей радиостанцией производится в заранее заданный отрезок дискретной шкалы единого времени с временным упреждением, которого достаточно для компенсации запаздывания в получении и исполнении указанных команд.

Типовая структура системы управления для БВС состоит из различных источников данных. Полученные данные попадают в блок бортовой системы управления (БАСУ), где производится оценка параметров движения объекта и выработка управляющих воздействий на исполнительные механизмы объекта. В качестве входных данных блок системы управления также может принимать внешние управляющие воздействия. Выработанные значения сигналов управления подаются на органы управления полетом БВС. В памяти БАСУ хранятся программы выполнения полета и конфигурации блока управления, изменяющиеся под воздействием определенных событий, происходящих на БВС в полете.

Разные производители пытаются сделать полеты беспилотников безопасными с помощью разных методов. Одни предусматривают указание запретных для полетов в программном обеспечении дронов, другие - создание систем уклонения от столкновения в воздухе, третьи - использование системы автоматического зависимого наблюдения-вещания (ADS-B), передающей данные о местоположении аппарата. Новая диспетчерская система NASA, получившая название UTM (UAS Traffic Management, управление движением беспилотных воздушных систем), позволяет организовывать полеты дронов в сегрегированном воздушном пространстве.

Недостатком известного способа управления беспилотным летательным аппаратом является то, что управление и контроль БВС осуществляется с наземного пункта управления в пределах радиовидимости, что затрудняет поддержание безотказного состояния оборудования БВС при эксплуатации, а также осуществление контроля за выполнением санкционированного трафика полета БВС, а это снижает уровень безопасности полетов, а по существу делает невозможным обеспечение интеграции беспилотных авиационных систем (БАС) в общее воздушное пространство.

Но самое главное, существует возможность скрыть реальный трафик полета БВС с целью совершения умышленных незаконных полетов, связанных, например, с доставкой наркотиков, совершения террористических актов и т.д. Это все относится и к новой системе UTM.

Существующие правила управления воздушным движением (УВД) сформировались, когда масштабы БАС по существу ограничивались авиамодельным спортом.

Воздушное пространство пронизано специальными путями, которые переходят из одной контролируемой зоны в другую. Точное число летательных аппаратов сказать довольно сложно, поскольку оно измеряется уже тысячами самолетов, число которых из года в год только растет.

Можно представить, что будет в воздушном пространстве, когда число увеличится на порядки. И здесь без автоматизированного управления эксплуатацией беспилотного воздушного судна при полетах в общем воздушном пространстве не обойтись, причем автоматически должен формироваться и контролироваться не только трафик полета, но также остаточный ресурс и предотказное состояние на всех этапах жизненного цикла, а также выявление случаев несанкционированного изменения трафика полета БВС.

СУЩНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ

Предлагаемая логическая архитектура комплексной автоматизированной системы контроля и управления беспилотными авиационными системами, обеспечивая их безопасную интеграцию в общее воздушное пространство относится к системам управления и контроля беспилотными воздушными суднами, обеспечивая безопасность их полета в общем воздушном пространстве, с выявлением случаев изменения санкционированного трафика полета, что необходимо в первую очередь для обеспечения безопасности наземных объектов особой важности при несанкционированном использовании БВС, но может быть применена и на других транспортных средствах. Технический результат - повышение эффективности управления БВС и уровня безопасности.

Для достижения данного в структуре службы управления воздушным движением для регистрации БВС формируется база данных, отражающая жизненный цикл БВС, а также портал зон полета БВС и пилотируемых летательных аппаратов на котором отражаются текущие санкционированные трафики полетов для каждого региона, которые контролируются региональным центром контроля за полетами БВС в структуру которого входят центр приема и передачи информации о техническом состоянии БВС из которого информация поступает в центр анализа технического состояния БВС, а также центр приема и передачи информации о трафиках полета БВС из которого информация поступает в центр анализа трафиков полета БВС, а из центов анализа для принятия решения и контроля информация поступает в региональный центр контроля за полетами БВС. Для этого необходимо разделить функцию оповещения летательных аппаратов, находящихся на расстоянии нескольких километров друг от друга, о трафике своего полета и функцию передачи данных и ретрансляции сигналов с других летательных аппаратов, причем функцией оповещения должны обладать все летательные аппараты, а функцией передачи данных и ретрансляции сигналов только тяжелые летательные аппараты весом десятки килограмм. Это позволит построить логическую архитектуру системы управления и прямого контроля за полетом всех летательных аппаратов, обеспечивая требования безопасности.

Достигаемым техническим результатом является обеспечение контроля и управления всеми БВС при их полетах в общем воздушном пространстве за счет разделения функций оповещения летательных аппаратов, находящихся на расстоянии нескольких километров друг от друга, о трафике своего полета и функций передачи данных и ретрансляции сигналов с других летательных аппаратов.

В качестве единственного одобренного на международном уровне решения рассматривается использование для ОрВД на высотах ниже нижнего безопасного эшелона системы автоматического зависимого наблюдения АЗН-В (анг. ADS-B). Принцип действия заключается в автоматическом определении аппаратом с помощью бортового ГЛОНАСС/GPS-модуля собственных координат и их передачи через бортовой приемопередатчик (транспондер) в систему ОрВД и другим летящим рядом БВС.

АЗН-В представляет собой безрадарный метод наблюдения БВС, при котором БВС автономно, например, при помощи средств спутниковой навигации ГЛОНАСС/GPS, определяет свое местоположение и в соответствии с протоколом, зависящим от типа выбранной линии передачи данных (ЛПД), сообщает в радиовещательном режиме о своем положении всем заинтересованным участникам воздушного движения и иным пользователям. АЗН-В с высокой точностью обеспечивает наблюдение БВС без использования наземных радаров при существенно меньших затратах. Использование услуг АЗН-В обычно сопровождается предоставлением других аэронавигационных услуг (примыкающих применений), реализуемых с помощью той же ЛПД, с помощью которой осуществляется предоставление услуг АЗН-В. Однако такие ЛПД обладают большим весом и энергопотреблением и не могут быть использованы на малых БВС весом от сотни грамм до нескольких килограмм. Но именно эта категория БВС составляет основу всех БВС.

Задачей, заявляемой архитектуры системы автоматизированного управления полетом беспилотного воздушного судна в общем воздушном пространстве является - повышение эффективности управления БВС и уровня безопасности. Для достижения данного результата в структуре службы управления воздушным движением для регистрации БВС формируется база данных, отражающая жизненный цикл БВС, а также портал зон полета БВС и пилотируемых летательных аппаратов на котором отражаются текущие санкционированные трафики полетов для каждого региона, которые контролируются региональным центром контроля за полетами БВС в структуру которого входят центр приема и передачи информации о техническом состоянии БВС из которого информация поступает в центр анализа технического состояния БВС, а также центр приема и передачи информации о трафиках полета БВС из которого информация поступает в центр анализа трафиков полета БВС, а из центов анализа для принятия решения и контроля информация поступает в региональный центр контроля за полетами БВС, причем каждый БВС снабжается уникальным унифицированным информационным блоком, имеющий как минимум две модификации, что позволяет разделить функции оповещения летательных аппаратов, находящихся на расстоянии нескольких километров друг от друга, о трафике своего полета и функцию передачи данных и функции ретрансляции сигналов с других летательных аппаратов, причем функцией оповещения должны обладать все летательные аппараты, а функцией передачи данных и ретрансляции сигналов только тяжелые летательные аппараты весом десятки килограмм. Это позволит построить логическую архитектуру системы управления и прямого контроля за полетом всех летательных аппаратов, обеспечивая требования безопасности.

Для этого каждый БВС снабжается уникальным унифицированным информационным блоком, включающим блок вычисления своих параметров полета, используя спутниковую навигационную систему, блок передачи этих параметров для информирования других летательных аппаратов, находящихся в ближайшем пространстве, о параметрах трафика своего полета и техническом состоянии БВС, а также блок приема информации с других летательных аппаратов, находящихся в ближайшем пространстве, о трафиках их полета, причем, линии связи используются для полученная дополнительной информация о трафиках полета других БВС, например, используя принцип Доплера, для уточнения реальных координат других БВС, а полученная информация о трафиках взаимного полета, а также аэронавигационные данные и пилотажно-навигационные характеристики, которые используются для формирования трафиков полета, обеспечивающих безопасный совместный полет, исключающий столкновение, кроме того, тяжелые БВС и пилотируемые летательные аппараты дополнительно снабжаются системой ретрансляции о трафиках полета и техническом состоянии, поступающей на борт такого БВС с других летательных аппаратов, включая малые БВС для передачи, используя систему ретрансляции, в службу управления воздушным движением, которая использует эти данные для контроля управления полетом беспилотного авиационного судна и обеспечения возможности безаварийного продолжения полета, а также выявления случаев получения недостоверной информации о трафике полета с БВС, которые отклоняются от санкционированного трафика полета, а в случае невозможности корректировки полета БВС, например, когда недостоверная информация с БВС передается умышленно, то информация о времени потери управления с таким БВС и параметрах его движения, планируемом трафике полета, а также технические данные в режиме онлайн передаются в службу пресечения несанкционированного полета БВС.

Архитектура системы автоматизированного управления полетом беспилотного воздушного судна (БВС) в общем воздушном пространстве, для обеспечения контролируемого безопасного трафика полета с использованием бортовой автоматической системы управления, спутниковой навигационной системы, высокоточных синхронизированных часов, а также бортового вычислителя и приемо-передающей радиостанции, с помощью которой осуществляется цифровая радиосвязь с базовой радиостанцией, со стационарным или подвижным пунктами управления, которые оборудованы автоматизированным рабочим местом оператора, отличающийся тем, что в структуре службы управления воздушным движением для регистрации БВС формируется база данных, отражающая жизненный цикл БВС, а также портал зон полета БВС и пилотируемых летательных аппаратов на котором отражаются текущие санкционированные трафики полетов для каждого региона, которые контролируются региональным центром контроля за полетами БВС в структуру которого входят центр приема и передачи информации о техническом состоянии БВС из которого информация поступает в центр анализа технического состояния БВС, а также центр приема и передачи информации о трафиках полета БВС, из которого информация поступает в центр анализа трафиков полета БВС, а из центров анализа для принятия решения и контроля информация поступает в региональный центр контроля за полетами БВС, причем каждый БВС снабжается уникальным унифицированным информационным блоком, который имеет как минимум две модификации, одна модификация, для легких БВС, снабжается уникальным унифицированным информационным блоком, который включает блок вычисления своих параметров полета, используя спутниковую навигационную систему, блок передачи параметров трафика своего полета и техническое состояние БВС для информирования летательных аппаратов, находящихся в ближайшем пространстве, а также блок приема информации с других летательных аппаратов, находящихся в ближайшем пространстве о трафиках их полета, причем, радиосигнал дополнительно обрабатывается, например, используя принцип Доплера, для уточнения реальных координат других БВС, в блоке обработки полученная информация о трафиках взаимного полета, а также аэронавигационные данные и пилотажно-навигационные характеристики, включая команды наземной службы контроля и управления за полетом БВС, преобразуются в команды управления трафиком полета, обеспечивая безопасный совместный полет, исключающий столкновение, а объем информации, обрабатываемой информационным блоком, определяется типом БВС, другая модификация информационного блока, для тяжелых БВС и пилотируемых летательных аппаратов, дополнительно снабжается системой ретрансляции о трафиках полета и техническом состоянии, поступающей на борт такого БВС с других летательных аппаратов, включая малые БВС для передачи, используя систему ретрансляции, в службу управления воздушным движением, которая использует эти данные для контроля управления полетом беспилотного авиационного судна и обеспечение возможности безаварийного продолжения полета, а также выявление случаев получения недостоверной информации о трафике полета с БВС, которые отклоняются от санкционированного трафика полета, а при необходимости, для обеспечения безопасности полетов, корректируют трафики полетов таких БВС, передавая через систему ретрансляции сигналы управления, а в случае невозможности корректировки полета БВС, например, когда недостоверная информация с БВС передается умышленно, то информация о времени потери управления с таким БВС и параметрах его движения, планируемом трафике полета, а также технические данные в режиме онлайн передаются в службу пресечения несанкционированного полета БВС.

Проведенный анализ технических решений позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют в известных носителях информации, что указывает на соответствие заявленного способа условию патентоспособности "новизна".

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Это позволит эффективным путем решить проблемы информативности средств наблюдения за воздушной обстановкой, а также применение эффективных способов управления БАС.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Заявленная система реализуется по блок-схеме, представленной на Фиг. 1, которая состоит из следующих основных блоков:

1 - портал регистрации БВС;

2 - база данных БВС;

3 - портал зон полета БВС;

4 - портал регистрации заявок на выполнение полета;

5 - региональный центр контроля и управления БВС;

6 - центр анализа технического состояния БВС;

7 - центр анализа трафиков полета БВС;

8 - центр приема и передачи информации о техническом состоянии БВС;

9 - центр приема и передачи информации о трафиках полета БВС;

10 - тяжелые БВС, использующие систему ретрансляции;

11 - малые БВС, не использующие систему ретрансляции;

12 - внешние пилоты;

13 - другие региональные центры контроля и управления БВС;

14 - служба борьбы с несанкционированными полетами БВС (антидрон);

10-1 - информационный блок тяжелого БВС, включающий:

- 1_н - блок навигации БВС;

- 2_п - блок передачи данных БВС;

- 3_п - блок приема данных БВС;

- 4_ф - блок формирования команд управления БВС;

- 5_Р - блок ретрансляции БВС;

11-1 - информационный блок легкого БВС, включающий:

-1_н - блок навигации БВС;

-2_п - блок передачи данных БВС;

- 3_п - блок приема данных БВС;

- 4_ф - блок формирования команд управления БВС.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ

Заявленная логическая архитектура системы автоматизированного управления полетом беспилотного воздушного судна в общем воздушном пространстве реализуется по блок-схеме, представленной на Фиг. 1.

Задачей, заявляемой системы является осуществление санкционированных полетов БВС в общем воздушном пространстве, в том числе, вне зоны радиовидимости. Технический результат - повышение эффективности управления БВС и уровня безопасности. Для достижения данного результата предлагается логистическая архитектура системы управления и прямого контроля за полетом всех летательных аппаратов, обеспечивая требования безопасности.

Функционирование системы на протяжении всего ее жизненного цикла, на логическом уровне, осуществляется следующим образом.

Для осуществления полетов БВС необходимо зарегистрировать в базе данных с присвоением регистрационного номера и последующими изменениями, отражающими техническое состояние БВС в процессе всего жизненного цикла, как при техническом обслуживании и ремонте, так и в процессе полета. Эта информация используется для осуществления контроля за полетом БВС, с целью обеспечения безопасного полета.

Для выполнения конкретного полета, с использованием зарегистрированного БВС, подается заявка, которая анализируется на предмет возможности ее выполнения, корректируется при необходимости и выдается разрешение на выполнение согласованного полета в заданном воздушном пространстве.

Каждый зарегистрированный БВС должен иметь лицензионный информационный блок, который не допускает несанкционированного вскрытия и перенастройки, включающий:

10-1 - информационный блок тяжелого БВС, включающий:

- 1_н - блок навигации БВС;

- 2_п - блок передачи данных БВС;

- 3_п - блок приема данных БВС;

- 4_ф - блок формирования команд управления БВС;

- 5_р - блок ретрансляции БВС;

11-1 - информационный блок легкого БВС, включающий:

- 1_н - блок навигации БВС;

- 2_п - блок передачи данных БВС;

- 3_п - блок приема данных БВС;

- 4_ф - блок формирования команд управления БВС.

Региональный центр контроля за полетом БВС принимает информацию, характеризующую текущее техническое состояние и трафик полета БВС, происходит сравнение с согласованными параметрами полета, выявляет отклонения от санкционированного и по результатам анализа принимается решение. Причем такой контроль осуществляется над всеми БВС, которые находятся в зоне контроля данного регионального центра контроля за полетами БВС, используя либо линии передачи информации непосредственно с БВС, либо за счет ретрансляции через другие БВС.

Дополнительно, осуществляется вычисление по доплеровским измерениям текущих параметров трафика полета других БВС, которые ретранслируются по каналам связи наземным службам управления воздушным движением.

В случае перехода БВС из одного регионального центра в другой в соответствие с запланированным санкционированным трафиком полета, то дальнейший контроль переходит к этому центру.

В случае отсутствия прямой радиовидимости информация ретранслируется через другие БВС наземным службам управления воздушным движением. Пакет информации для ретрансляции дополняется пакетами с информацией, поступившей для ретрансляции с других БВС и направляется наземным службам управления воздушным движением (ретрансляция может осуществляться через спутниковые каналы связи).

В случае отклонения от санкционированного трафика полета служба управления воздушным движением подает команды на возвращение к санкционированному трафику полета и автоматически эта информация поступает в службу пресечения несанкционированного полета беспилотного воздушного судна.

В случае возвращения БВС к санкционированному трафику полета продолжается штатный режим работы службы управления воздушным движением, а если принятые меры не дали положительного результата, то служба пресечения несанкционированного полета беспилотного воздушного судна принимает меры по пресечению такого полета, используя информацию о характеристиках БВС, времени и месте начала несанкционированного полета.

Поставленная цель достигается тем, что в известной системе управления беспилотными летательными аппаратами, каждый из которого оборудован бортовой автоматической системой управления, спутниковой навигационной системой, высокоточными синхронизированными часами, а также бортовым вычислителем и приемо-передающей радиостанцией, с помощью которой осуществляется цифровая радиосвязь с базовой радиостанцией, со стационарным или подвижным пунктами управления, причем в структуре службы управления воздушным движением для регистрации БВС формируется база данных, отражающая жизненный цикл БВС, а также портал зон полета БВС и пилотируемых летательных аппаратов на котором отражаются текущие санкционированные трафики полетов для каждого региона, которые контролируются региональным центром контроля за полетами БВС в структуру которого входят центр приема и передачи информации о техническом состоянии БВС из которого информация поступает в центр анализа технического состояния БВС, а также центр приема и передачи информации о трафиках полета БВС из которого информация поступает в центр анализа трафиков полета БВС, а из центов анализа для принятия решения и контроля информация поступает в региональный центр контроля за полетами БВС, а каждый БВС снабжается уникальным унифицированным информационным блоком, который имеет как минимум две модификации, одна модификация, для легких БВС, снабжается уникальным унифицированным информационным блоком, включающим блок вычисления своих параметров полета, используя спутниковую навигационную систему, блок передачи параметров трафика своего полета и техническое состояние БВС для информирования летательных аппаратов, находящихся в ближайшем пространстве, а также блок приема информации с других летательных аппаратов, находящихся в ближайшем пространстве о трафиках их полета, причем, радиосигнал дополнительно обрабатывается, например, используя принцип Доплера, для уточнения реальных координат других БВС, в блоке обработки полученная информация о трафиках взаимного полета, а также аэронавигационные данные и пилотажно-навигационные характеристики, включая команды наземной службы контроля и управления за полетом БВС, преобразуются в команды управления трафиком полета, обеспечивая безопасный совместный полет, исключающий столкновение, а объем информации, обрабатываемой информационным блоком, определяется типом БВС, другая модификация информационного блока, для тяжелых БВС и пилотируемых летательных аппаратов, дополнительно снабжается системой ретрансляции о трафиках полета и техническом состоянии, поступающей на борт такого БВС с других летательных аппаратов, включая малые БВС для передачи, используя систему ретрансляции, в службу управления воздушным движением, которая использует эти данные для контроля управления полетом беспилотного авиационного судна и обеспечение возможности безаварийного продолжения полета, а также выявление случаев получения недостоверной информации о трафике полета с БВС, которые отклоняются от санкционированного трафика полета, а при необходимости, для обеспечения безопасности полетов, корректируют трафики полетов таких БВС, передавая через систему ретрансляции сигналы управления, а в случае невозможности корректировки полета БВС, например, когда недостоверная информация с БВС передается умышленно, то информация о времени потери управления с таким БВС и параметрах его движения, планируемом трафике полета, а также технические данные в режиме онлайн передаются в службу пресечения несанкционированного полета БВС.